Особенности аминокислотного состава желатинов из органов и тканей ряда сельскохозяйственных животных

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

В тематику Института биоорганической химии (ИБХ) АН СССР (ныне ИБХ им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН), связанную со структурно-функциональными исследованиями различных пептидов и белков, мне повезло включиться после зачисления стажером-исследователем в лабораторию полимеров для биологии с 16 октября 1980 г. (зав. лабораторией проф. В.П. Зубов). Лаборатория была создана директором ИБХ акад. Ю.А. Овчинниковым для решения ряда прикладных проблем биоорганической химии, физико-химической биологии и биотехнологии. Одними из главных направлений нашей лаборатории были хроматографический анализ пептидов и белков, включая их аминокислотный состав; создание специфических хроматографических материалов для разделения мембранных белков и липидов; получение ультратонких пленочных и супрамолекулярных систем на основе синтетических и природных полимеров. Ю.А. Овчинников регулярно посещал нашу лабораторию после ее переезда из помещений корпуса “А” МГУ в один из первых корпусов (№ 34) нового здания ИБОХ АН СССР, поскольку ему (и как директору, и как ученому) было важно лично посмотреть, как функционирует научная лаборатория в помещениях, оснащенных новой лабораторной мебелью (по удобству работы не имеющей аналогов в СССР) и специальным оборудованием. При этом он всегда искренне интересовался работой молодых сотрудников лаборатории и периодически читал лекции для студентов как в МГУ и ИБХ, так и на зимних молодежных научных школах в Пущино, куда мы с радостью приезжали при первой возможности. Также хочу отметить замечательную книгу Ю.А. Овчинникова “Биоорганическая химия” [1], которая стала для меня одной из первых систематических книг по аминокислотному составу белков и другим многочисленным вопросам биоорганической химии, а также очень помогала мне не только в научной работе, но и при проведении занятий со студентами и аспирантами. Эта книга Ю.А. Овчинникова не потеряла своего значения и в наше время, она может быть рекомендована для понимания методических подходов и этапов развития большого научного направления исследований аминокислот (АК) и других биоорганических соединений.

Имея такую большую и славную историю [1], в настоящее время в мире активно продолжаются исследования АК-состава органов и тканей именно сельскохозяйственных животных, что имеет не только фундаментальное [2–4], но и важное прикладное значение [5–7]. Например, исследования АК-состава органов и тканей основных видов сельскохозяйственных животных связаны как с оптимизацией их кормления, содержания, получения качественных продуктов питания животного происхождения [5–7], так и с переработкой субпродуктов животноводства в полезные пищевые или технические добавки [8, 9], что ярко иллюстрируется продуктами и материалами на основе желатинов животного происхождения [10]. По заявлениям ряда авторов [8], в мире существует необходимость в увеличении производства желатинов различного типа (пищевых и технических), которое с 2011 по 2018 гг. увеличилось практически на треть [8]. Согласно ряду международных источников [8–10], прогнозируется большой рост мирового рынка желатина. Например, к концу 2027 г. общий объем рынка желатина может составить 6.7 млрд долларов США при среднегодовом темпе роста 9.29% [10].

Как известно, желатины образуются при технологических процессах переработки белков соединительной ткани животных (прежде всего коллагенов) и с формальной точки зрения представляют собой различные полипептидные продукты [11–14]. Многочисленные определения желатина приводятся практически в каждой статье, упоминающей этот важный продукт, в том числе в публикациях, цитируемых выше и ниже в данном обзоре. В большинстве случаев желатины, как коммерческие продукты, на 52.5% производились из кожи и костей крупного рогатого скота (КРС), на 46.0% – из кожи свиней и только на 1.5% – с использованием других видов животных [14]. По данным Института производителей желатина Америки (Gelatin Manufacturers Institute of America) [14], в начале XXI века 63% желатина используется в пищевых продуктах, 31% – в медицинском секторе и 6% – в технических или других областях промышленности [8–10]. Интересно, что в последнее время “кошерный/халяльный статус” стал одним из основных индикаторов по отношению к желатину млекопитающих на глобальном рынке продовольствия с точки зрения маркетинга [8–10]. Кроме религиозно-культурных традиций в настоящее время усилилась тенденция к здоровому образу жизни, что побуждает ученых искать источники желатина, не относящиеся к млекопитающим, но близкие к ним по физико-химическим и функциональным характеристикам [8–10]. Поэтому в последнее время появилась тенденция к некоторому снижению гигантского объема производства желатинов из млекопитающих (коров и свиней), пока еще несущественному по сравнению с относительным ростом производства желатинов из субпродуктов и отходов промышленного птицеводства (головы, лапки, кости, части соединительной ткани тушек). За последнее десятилетие производство мяса птицы выросло на ~37.34% [8–10].

Известно, что большое содержание коллагенов в соединительной ткани (в коже, сухожилиях, связках и т.д.) – большой плюс как для людей, так и для животных в физиолого-биохимическом аспекте [11, 15], коллагены составляют примерно треть от общего количества белков организма [13]. Коллагены и полученные из них продукты в настоящее время широко используются в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности благодаря своим питательным и функциональным свойствам [11–15]. Как известно [11–15], одна молекула коллагена, независимо от его многочисленных типов, состоит из трех полипептидных цепей и в сумме имеет молекулярную массу ~300 кДа, включая ~3000 а.о. [15–18]. Коллаген I типа широко известен как основной фибриллярный коллаген у человека и многих млекопитающих из-за его уникальной способности образовывать in vitro нерастворимые волокна с высокой прочностью на растяжение и стабильностью [15–18]. Соответственно, в целом основная структура молекулы коллагена (как и желатина) характеризуется наличием высокого содержания глицина (Gly), пролина (Pro) и гидроксипролина (HyPro) в аминокислотных цепях (в виде повторяющихся триплетов) [11–18]. Например, присутствие Gly в каждом третьем остатке – критическое условие для формирования суперспиральной структуры коллагена [11, 15, 18], но важная роль здесь принадлежит HyPro, а также серину (Ser) и треонину (Thr) за счет возможности гидроксильных групп поддерживать межцепочечные связи [11–18]. Таким образом, структурно-функциональные особенности белков определяются их первичными аминокислотными последовательностями, что полностью согласуется с фундаментальными основами современной химии белков, заложенными во многих работах акад. Ю.А. Овчинникова и сотрудников. Здесь, из-за краткости обзора, предлагаю читателям вновь обратиться к замечательной книге Ю.А. Овчинникова [1], которая до сих пор является настольным пособием для студентов и преподавателей, молодых научных сотрудников и меня лично. Вплотную аминокислотным анализом мне пришлось заниматься в период длительных зарубежных командировок, работы заведующим кафедрой органической и биологической химии Московской государственной академии ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина, а исследованием особенностей АК-состава белков крови и других органов и тканей ряда видов сельскохозяйственных животных – в настоящее время в ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. акад. Л.К. Эрнста. Ряд данных последних лет по этим вопросам собран в монографии 2022 г. [19].

Цель данного исследования – выявление общих параметров и отличительных особенностей АК-состава желатинов из коллагенов основных видов сельскохозяйственных животных (прежде всего КРС, свиней и птиц) для оценки состояния и перспектив промышленного применения таких желатинов.

2. СОДЕРЖАНИЕ АМИНОКИСЛОТ В РАЗЛИЧНЫХ ЖЕЛАТИНАХ

Наиболее общий и самый дешевый комплексный способ получения желатинов – денатурация растворимых коллагенов животных при термическом воздействии и гидролизе, катализируемом кислотой или щелочью (в присутствии или в отсутствие катализаторов) [20–24]. В простейшем случае термическая денатурация образцов декальцинированной соединительной ткани происходит либо в жестких условиях в случае костей и кожи крупного рогатого скота (КРС) [20, 21], либо в более в мягких условиях путем нагревания коллагена в нейтральных или слабокислых условиях до ~40°С [22, 23]. В первый момент разрушаются только водородные связи и гидрофобные взаимодействия, т.е. происходит дестабилизация спиралей коллагенов, в результате чего образуются мономерные единицы тропоколлагенов [21]. На следующем этапе гидролиза коллагенов происходит разрыв внутримолекулярных связей и образуется смесь полипептидов [24]. Свойства и физико-химические характеристики полученных желатинов напрямую связаны с их АК-составом и молекулярно-массовым распределением [25–28]. Например, желатины с низким содержанием определенных иминокислот (Pro и HyPro) имеют более низкую температуру плавления и прочность геля [25]. Эти результаты показывают важность полноты экстракции АК из исходного сырья, т.е. превращения коллагенов в желатины при разрывах меж- и внутримолекулярных связей [29]. Выявлены существенные различия в степени и типе этих связей, обнаруженных в костях и коже животных [11–15, 29, 30], рыб [17–19, 22, 31–34] и насекомых [21, 26–28]. На функциональные свойства желатинов сильно влияет структура и АК-состав полипептидных цепей, что будет описано ниже.

2.1. Аминокислотный состав желатинов из кожи и костей крупного рогатого скота

Первая особенность приводимых данных по АК-составу как исходных коллагенов, так и желатинов животного происхождения – отсутствие, как правило, такой аминокислоты, как Trp [15, 21, 31–33]. При детальном рассмотрении их АК-состава выясняется, что преобладают глицин Gly, Pro и HyPro [15, 12, 34]. Ключевые сложности в сравнении данных разных авторов [35–44] – неодинаковое количество определяемых аминокислот (от 10 до 19) в образцах, разные условия (и даже методы) анализа и единицы измерения содержания АК (г/100 г или мг/100 мг сухого и беззольного белка, моль/100 000 г белка, мг% и др.).

Имеются многочисленные данные о содержании аминокислот в желатинах, выделенных из различных тканей КРС, таких как бычья шкура, кожа, шерсть, кости, хрящи и сухожилия. Наиболее хорошо изучено содержание АК в желатине из кожи и костей КРС, полученном при различных условиях приготовления желатина (табл. 1) [33, 45, 46].

Таблица 1. Содержание аминокислот в различных желатинах из кожи и костей КРС [33, 45, 46]

Примечание: HyPro – гидроксипролин; HyLys – гидроксилизин. Прочерк – не определялось количественно.

* Значения приведены в моль/10⁵ г сухого и беззольного белка.

В работах за последние десятилетия [33–47] обобщены основные данные по анализу содержания АК в различных желатинах КРС, которые показали большое различие практически по всем АК. Эти различия связаны не столько с составом органов и тканей КРС, сколько с отличиями в методиках гидролиза коллагенов (т.е. выделения желатинов КРС) и с несовершенством методов анализа АК. Если пытаться определить качественные сходства и наиболее общие интервалы содержания АК в различных желатинах КРС, то в этих работах можно выделить ряд основных АК, таких как Gly (20–27%), Pro (10–15%), Ala (7–10%) и др. (табл. 1). Эти данные получены после обработки исходных значений для основных 19 аминокислот (без Trp) и без учета гидроксиаминокислот: гидроксипролина (HyPro) и гидроксилизина (HyLys), которые имеют важное значение, но не часто определяются в таких образцах.

Иногда вместо 19 протеиногенных АК говорят о содержании только 16 или 17 аминокислот, поскольку ряд аминокислот (Cys и амиды), как правило, не выдерживает процесса экстракции при повышенных температурах [5, 34]. Так, Cys практически полностью разрушается во многих препаратах, Asn и Gln во многих препаратах превращаются в Asp и Glu, поэтому реальное значение содержания Asp включает в себя бывший Asn, так же как Gly и Gln, которые часто измеряются вместе.

Во всех случаях измерения желатина из бычьей кожи показано общее сходство для основных АК, таких как Gly, Pro, Ala, и ряда других (табл. 1). Есть несколько значений содержания аминокислот в желатине из бычьей кожи, которые немного отличаются: Lys, His, Phe, HyPro, Met, Tyr и Thr (табл. 1). Напротив, существуют большие различия между значениями AК для желатина из бычьей кожи [45, 46] и из костей [33], особенно для Pro, Ala, Ser, Tyr и Val. То же самое справедливо и для некоторых других работ [47–50], поэтому целесообразно рассматривать значения содержания АК в желатине из бычьих шкур [46] как референтную ссылку (табл. 1) для других данных по содержанию AК в желатине из бычьих шкур.

В целом такая тенденция сохраняется и для современных данных по содержанию АК в различных желатинах из кожи (шкур) молодых бычков (табл. 2), полученных путем действия ультразвука при напряжении 200–400 Вт [50].

Таблица 2. Влияние ультразвука (200–400 Вт) на содержание аминокислот в различных желатинах из кожи (в гидролизате шкур) молодых бычков [50]

Примечание: прочерк – не определялось количественно. Контрольный образец желатина (К) был извлечен из коллагена без использования ферментов.

Содержание свободных AК может отражать процесс гидролиза белков [50] – чем больше извлечение белка, тем лучше эффект гидролиза [50]. По сравнению с контрольной группой степень гидролиза, скорость восстановления белка в гидролизатах и их антиоксидантная активность были значительно выше после обработки ультразвуком мощностью до 300 Вт, но при дальнейшем увеличении мощности ультразвука существенных изменений не наблюдалось (табл. 2).

Как показано в табл. 2, общее содержание свободных AК в желатиновом гидролизате из кожи молодых бычков, предварительно обработанном ультразвуком мощностью 200, 300 и 400 Вт, составило 0.864, 0.876 и 0.913 г/100 г, что на 5.9, 7.3 и 11.9% выше, чем в контроле (0.816 г/100 г). Эти результаты близки к данным Zou et al. [51] по изменениям в содержании АК в гидролизате головного мозга свиньи после обработки ультразвуком. Содержание свободных AК возрастает при увеличении мощности ультразвука, что согласуется с результатами по степени гидролиза и скорости восстановления белка, однако антиоксидантная активность гидролизата достигла максимального значения 14.3% при мощности 300 Вт, что было на 45.2% выше, чем у контроля (возможно, из-за того, что ультразвуковая обработка изменила структуру белка и увеличила количество основных и ароматических аминокислот). Как показано в табл. 2, предварительная обработка ультразвуком мощностью 200, 300 и 400 Вт изменила содержание общих (основных) аминокислот до значений 68.93, 76.43 и 76.73 г/100 г, что на 6.6% меньше или на 3.5 и 3.9% выше, чем в контроле (73.83 г/100 г). Примечательно, что как основные (Lys, Arg и His), так и ароматические АК являются донорами водорода и считаются эффективными поглотителями свободных радикалов [51, 52]. В настоящем исследовании содержание Asp и Glu в гидролизате желатина из бычьей шкуры, предварительно обработанного ультразвуком мощностью 300 Вт, составляло 5.00 и 8.66 г/100 г соответственно; эти значения были на 7.06 и 6.78% выше, чем в контроле (4.67 и 8.11 г/100 г соответственно). Кроме того, антиоксидантная способность гидролизата была связана с содержанием С-концевых (Arg и Tyr) и N-концевых аминокислот (His, Phe и Leu) [52]. По сравнению с контролем, гидролизаты желатина из бычьей шкуры, обработанные ультразвуком оптимальной мощностью 300 Вт, имели содержание C- и N-концевых аминокислот на 22.69 и 28.74% выше соответственно.

В работах [29–32, 47–49] изучено влияние на АК-состав желатинов различных ферментов (растительных и животных), которые использовали для предварительной обработки бычьей кожи. Например, растительные ферменты актинидин (А) и папаин (Р) использовали на уровне 5– 25 ед./г кожи для предварительной обработки бычьей кожи при соответствующих оптимальных рН и температуре в течение 48 ч (табл. 3) [49].

Таблица 3. Аминокислотный состав желатинов, экстрагированных из бычьей кожи при добавлении пепсина (П) [47], бромелаина (Б) [48], зингибаина (З) [48], актинидина (А) [49] и папаина (Р) [49], на уровне 25 отн. ед. на г кожи в сравнении с контролем (К)

Примечание: контрольный образец желатина (К) был извлечен из коллагена без использования ферментов.

Содержание таких аминокислот, как Gly, Pro и HyPro (табл. 3), при гидролизе пепсином (П) на уровне 5–25 отн. ед. (на 1 г кожи) варьировалось и составляло ~21.5, 10.5 и 14.8% соответственно, т.е. было близко к показателю в контрольной группе (К): 19.9, 10.3 и 14.1% соответственно [47]. При этом указанные значения (как в случае П, так и в случае К) сильно отличаются от данных Mulyani et al. [53] по Gly (ниже на 16.2 или 10.0%), но практически совпадают с данными по Pro и HyPro [53]; незначительно отличаются от данных Aykın-Dinçer et al. [54]: ниже на 4.2% или выше на 3.4% по Gly, тогда как более чем на порядок (на 95–102%) выше по Pro и значительно ниже (на 43.9–51.0%) по HyPro [54]. Это связано с существенными различиями в процессах предварительной обработки кислотой [31, 52–54] или с отсутствием ферментной обработки [55], что и привело к изменению содержания аминокислот. Так, сообщалось [31, 53–55] о гораздо меньшем (на 13.0 или на 31.0%) содержании суммы иминокислот (Pro и HyPro) в желатине из бычьей кожи по сравнению с содержанием суммы иминокислот как в случае П (~25.3%), так и в случае К (~24.4%).

При исследовании действия карбоновых кислот (соляной, уксусной и лимонной) в присутствии пепсина (7 ч при 70°С) на процесс экстракции желатинов из костной ткани КРС в работе Cao et al. [56] показано, что лимонная кислота более эффективно разрушает структуру исходного коллагена по сравнению с уксусной и соляной кислотами в равных концентрациях [56]. Кроме того, использование пепсина в смеси с любой из кислот приводит к достоверно более высоким выходам желатинов (p < 0.05) по сравнению с контрольной группой без участия пепсина [56]. Таким образом, коллагены, предварительно обработанные лимонной кислотой и пепсином, более эффективно гидролизуются в желатины, чем без ферментативной обработки [56].

Важно, что содержание иминокислот (Pro и HyPro) в желатине бычьей кожи при использовании ферментов типа актинидина (А), папаина (P), бромелаина (Б) и зингибаина (З) составляло 19.3, 25.1, 24.9 и 25.5% соответственно [48, 49], что значительно ниже (на 20.9% в случае А), незначительно отличается (на 2.9 или 4.5% в случае Р или З) или сопоставимо (для Б) с контролем (~24.4%) [47]. При использовании всех указанных ферментов (на уровне 25 ед./г кожи) выход желатинов был значительно выше, чем в контроле (достоверные отличия, p < 0.05) [47–49]. Причем значения прочности геля и вязкости для желатинов, экстрагированных с использованием актинидина, были значительно выше, чем в контроле (283.35 г) (достоверные отличия, p < 0.05) [47–49]. Однако прочность геля и вязкость для желатинов, экстрагированных с использованием папаина и бромелаина, была значительно ниже, чем в контроле (283.35 г) (достоверные отличия, p < 0.05) [47–49]. Образцы желатина, экстрагированного зингибаином (З), не образовывали гель, а вязкость этих желатинов была значительно ниже, чем у желатинов, экстрагированных с использованием бромелаина (достоверные отличия, p < 0.05) [48]. Полученные данные можно объяснить степенью деградации α- и β-цепей, а также присутствием пептидов с невысокой молекулярной массой [40, 47–49]. С использованием этих и других методов (инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье и сканирующей электронной микроскопии) обнаружены существенные изменения в молекулярном порядке (нарушения α-спиральной структуры), что позволило авторам [40, 47–49] сделать вывод о том, что актинидин и бромелаин могут более эффективно использоваться как для относительного увеличения выхода, так и для улучшения свойств желатина из бычьей кожи по сравнению с другими изученными ферментами [40, 47–49].

2.2. Аминокислотный состав желатинов свиней

Следует обратить внимание, что в доступной литературе представлены данные об АК-составе желатинов только из кожи свиней или вообще без упоминания органов и тканей свиней [57–60] – это существенное отличие от данных по желатинам, получаемым из разных органов и тканей КРС (что описано выше). Представляется важным сравнить литературные данные об АК-составе желатинов из кожи свиньи (PSG) с таковыми из кожи КРС (BSG). В солидной работе Hafidz et al. [57] были исследованы желатины из бычьей и свиной кожи не только в плане сравнения по АК-составу (табл. 4) и структуре полипептидов, но и по “силе проседания”, мутности и пенообразующим свойствам [57], что исключительно важно для технического применения желатинов.

Таблица 4. Аминокислотный состав желатинов кожи свиней (PSG) и крупного рогатого скота (BSG) в сравнительном аспекте [57]

Примечание: прочерк – не определялось количественно.

* Число остатков на 1000 а.о.

По мнению авторов [57], абсолютное содержание Gly, Pro и Arg в свином желатине было заметно выше, чем в бычьем желатине, хотя структура полипептидов обоих желатинов очень близка (как в столбцах 1 и 4 в табл. 4). Однако если пересчитать это в относительные данные (% к сумме всех АК, как в столбцах 2 и 3 в табл. 4), то заметные отличия видны только по содержанию Tyr (на 48.1%), Phe (на 14.6%), Thr (10.3%), Val (10.3%), которых больше в свином желатине, чем в бычьем желатине [57]. Кроме того, содержание Ile (на 27.3%), Met (на 9.1%), Gly (на 6.2%) меньше в свином желатине, чем в бычьем желатине [57]. Причем в этой работе не приведены данные по Cys и His, их содержание обычно невелико и не повлияет на общие тенденции в полученных значениях содержания АК в свином и бычьем желатине (табл. 4). Небольшие отличия в свином и бычьем желатинах [57] по содержанию Glu и Gln, Pro и ряда других АК (менее чем на 5%) не являются статистически значимыми (табл. 4) и не будут здесь обсуждаться.

Следует обратить внимание, что “сила проседания” – важная характеристика, определяющая сорт желатинов и область их использования в промышленности [20–23]. Обнаружено, что “сила проседания” у желатинов свиней существенно выше (в среднем в 1.5 раза), чем у бычьих желатинов (в диапазоне pH 3–10) [57], причем желатины из обоих источников обладали самыми высокими (низкими) “силами проседания” при pH 9 (pH 3). Так, по данным Hafidz et al. [57], у желатинов из свиных кож максимальные (минимальные) значения составляли 415.1 (330.6), а у желатинов из бычьих кож – 270.4 (193.5) отн. ед. Блума. С другой стороны, такие параметры, как расширение и стабильность пены (FE и FS), у бычьих желатинов были в разной степени выше, чем у свиных желатинов при всех изученных концентрациях водных растворов (2–5%) [57]. Так, у желатинов из бычьих кож максимальные (минимальные) значения FE и FS составляли 93.0 ± 2.7 и 91.7 ± 3.2% (72.3 ± 5.5 и 86.5 ± 5.5%) при концентрациях 2% (5%). Для сравнения, у желатинов из свиных кож максимальные (минимальные) значения FE и FS составляли 93.0 ± 1.0 и 88.67 ± 2.5% (53.0 ± 1.0 и 51.33 ± 0.6%) при концентрациях 3% (5%) [57].

По данным Hafidz et al. [57], у желатинов из свиных кож значения мутности (поглощения их растворов при 360 нм) были значительно ниже (почти в 12 раз), чем у желатинов из бычьих кож при всех изученных pH (рН 3.0–9.0). Мутность растворов желатинов из бычьих кож была максимальной при pH 7 и снижалась при щелочных pH, тогда как растворы желатинов из свиных кож показали наибольшую мутность при pH 9 (хотя эти значения мало отличались от таковых в области pH 5–7) [57]. Эти эффекты связаны с различиями в изоэлектрических точках растворов указанных желатинов [20–22]. Как известно, при pH, близких к изоэлектрической точке растворов указанных желатинов, происходит агрегация молекул этих белковых и пептидных фрагментов (с β- и α-цепями молекулярных масс ~220 и 100 кДа), поскольку снижается их взаимодействие с молекулами воды [20–22].

Конечно, полученные в различных технологических условиях данные по содержанию АК в желатинах из кожи свиньи и КРС могут существенно отличаться [14, 34, 40, 46, 57–61]. Однако в целом эти отличия носят не критический характер, как описано выше. Именно поэтому желатины в промышленности иногда получают из смеси отходов животноводства. Более того, в работе Kremenevskaya et al. [61] была предложена композиция белковых ингредиентов из гидролизатов кожи свиньи и КРС с добавками высушенной плазмы крови в соотношении 45 : 45 : 10. Показано, что АК-состав препаратов, полученных с добавлением сухой плазмы крови, существенно более “ценный”, чем в традиционных желатинах (по аминокислотному “скору” в сравнении с идеальным белком, рекомендованным ВОЗ/ВТО), что позволило авторам сделать предположение о повышенной биологической и пищевой ценности разработанного продукта [61]. Кроме того, авторы обнаружили улучшение реологических и органолептических показателей при добавлении до 15% указанной выше композиции вместо говядины в технологию производства фаршевых полуфабрикатов [61].

2.3. Аминокислотный состав желатинов из субпродуктов и отходов промышленного птицеводства

В работах [14, 41–45] приведены данные о содержании аминокислот в желатинах из органов и тканей кур и цыплят, уток и индеек. Конечно, наибольший интерес представляет сравнение АК-состава желатинов птиц со свиным и бычьим желатинами. Поэтому обращаем внимание на работу Abedinia et al. [14], в которой приведены данные по АК-составу желатинов из кожи и ног уток, кур и индеек в сравнении с коммерческим желатином из шкуры свиней (табл. 5), о котором говорилось выше (табл. 4).

Таблица 5. Содержание аминокислот в желатинах из кожи и лапок уток, кур и индеек в сравнении с таковым из шкуры свиней [14]

Примечание: HyLys – гидроксилизин; HyPro – гидроксипролин. Прочерк – не определялось количественно. DSG – желатины из кожи уток, CSG – желатины из кожи цыплят, MDTRG – желатины из кожи индейки, DFG – желатины из лап уток, CFG – желатины из лап кур, PSG – желатины кожи свиней.

Согласно данным Abedinia et al. [14], желатины из кожи уток (DSG) после экстракции 0.1 М (0.6%-ным) раствором уксусной кислоты по АК-составу сильно отличались как в положительную сторону по Pro (+34.0), Ser (+30.6), Gly (+28.9), Met (+21.8), His (+21.3), Ala (+18.6), так и в отрицательную сторону по Thr (–83.8), Lys (–28.0), Val (–22.9), Asn + Asp (–19.8), Ile (–15.4), Cys (–9.0), Leu (–6.9), Tyr (–10.0), Arg (–7.4) и практически не отличались по Phe (–4.3), Gln + Glu (+1.2) (табл. 5) по сравнению с таковым для желатина из свиной кожи (коммерческий тип А).

Желатины из кожи цыплят (CSG) после экстракции раствором NaOH (0.15%, m/v), а затем раствором серной кислоты (0.15%, v/v) по АК-составу сильно отличались как в положительную сторону по Gly (+66.8), Tyr (+52.5), Ala (+21.4), Lys (+16.5), так и в отрицательную сторону по Met (–93.6), Asn + Asp (–64.8), His (–62.5), Gln + Glu (–44.4), Ser (–38.9), Thr (–36.9), Arg (–34.5), Val (–19.2), Phe (–15.7), Ile (–11.5), Leu (–9.3) и практически не отличались по Cys (–2.0) и Pro (±0.1) (табл. 5) по сравнению с таковым для желатина из свиной кожи [14].

Согласно данным Abedinia et al. [14], желатины из кожи индейки (MDTRG) после экстракции 5%-ным раствором соляной кислоты при 70°C по АК-составу сильно отличались как в положительную сторону по Ile (+80.8), Gly (+74.0), Ala (+56.5), Thr (+31.3), Lys (+25.3) и Met (+19.1), так и в отрицательную сторону по Leu (–53.1), Tyr (–46.3), Arg (–32.5), His (–27.5), Ser (–23.6), Phe (–21.4), Gln + Glu (–17.5), Val (–6.7) и практически не отличались по Asn + Asp (–3.0), Cys (–2.0), Pro (+3.5) (табл. 5) по сравнению с таковым для желатина из свиной кожи [14].

Интересно, что желатины из лап уток (DFG) после экстракции 4%-ным раствором уксусной кислоты по АК-составу сильно отличались как в положительную сторону только по Met (+21.8), так и в отрицательную сторону по Thr (–70.6), Lys (–56.3), Gly (–56.0), Asn + Asp (–54.7), Gln + Glu (–47.3), Tyr (–46.3), Arg (–33.3), Ser (–23.6), Leu (–13.8), His (–12.5), Phe (–12.4), Ile (–12.3), Val (–6.7), Ala (–2.2) и практически не отличались по Pro (+3.5) (табл. 5) по сравнению с таковым для желатина из свиной кожи [14]. При этом АК-состав полученных желатинов сильно отличался (в разные стороны) от такового для желатинов из шкуры уток (DSG) (табл. 5) по большинству АК: Ala, Arg, Asn + Asp, Gly, Gln + Glu, His, Lys, Phe, Pro, Ser, Thr, Tyr и Val [14].

Важно, что желатины из лап кур (DFG) после экстракции 1.5%-ным раствором уксусной кислоты по АК-составу сильно отличались как в положительную сторону по Gly (+56.0), Ala (+21.8), Leu (+19.7), Met (+1.8), так и в отрицательную сторону по Gln + Glu (–70.2), Ser (–60.3), Phe (–50.5), Lys (–39.8), Pro (–31.3), Asn + Asp (–29.3), Ile (–14.4), Val (–4.25) и практически не отличались по Arg, Cys, His, Thr, Tyr и Trp (табл. 5) по сравнению с таковым для желатина из свиной кожи [14]. При этом АК-состав полученных желатинов слабо отличался от такового для желатинов из шкуры кур (DSG) (табл. 5).

Как следует из табл. 5, 6 и соответствующих работ, общее содержание иминокислот в желатинах из кожи птиц близко к таковому из кожи свиней (т.к. разница в 3.7% не является статистически значимой).

Таблица 6. Содержание аминокислот в желатинах из кожи КРС (ВSG) и пекинских уток (DFG) при различных обработках [62]

Примечание: прочерк – не определялось количественно. HyPro – гидроксипролин, Ac-DFG – при кислой обработке сырой массы DFG, Al-DFG – при щелочной обработке сырой массы DFG, En-DFG – при ферментативной обработке сырой массы DFG.

Если взять общее содержание иминокислот (HyPro и Pro) в желатинах из кожи КРС и свиней как референтное значение, то в желатинах из кожи кур это содержание значительно выше (на 18–20%). Как известно, высокий уровень общего содержания HyPro и Pro в желатинах улучшает характеристики геля, в том числе свойства пищевых продуктов на его основе. Таким образом, желатины из кожи кур могут служить альтернативой желатинам из других источников.

Abedinia et al. [62] исследовали влияние различных видов обработки и экстракции на процент выхода и состав, физико-химические и реологические свойства желатинов из утиных лапок (DFG). Желатины экстрагировали из цельных лап пекинской утки со средним выходом 4.09, 3.65 и 5.75% при кислой (Ac-DFG), щелочной (Al-DFG) и ферментативной (En-DFG) предварительной обработке сырой массы [62]. При этом содержание белков было на уровне 81.38, 79.41, 82.55 и 87.38% по основному составу желатинов (Ac-DFG, Al-DFG, En-DFG и бычьего соответственно) [62]. Аминокислотный анализ показал, что Gly, безусловно, преобладает во всех образцах, особенно в бычьем желатине. Далее следуют HyPro, Pro, Ala, прежде всего для образцов Ac-DFG, а затем и других образцов Al-DFG и En-DFG. Более высокая термостабильность связана именно с высоким содержание Pro и HyPro (в Ac-DFG и Al-DFG) по сравнению с таковым в BG и En-DFG [62]. Методом ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием показано, что пики желатинов расположены преимущественно в области амидной полосы (амиды I, II и III) [62]. Реологический анализ показал, что максимальный модуль упругости (9972.25 Па) и модуль потерь (4956.28 Па) [62] были значительно выше у желатина Ac-DFG, чем у других желатинов. Таким образом, именно желатин из утиных лапок (типа Ac-DFG) наиболее перспективен как альтернатива желатинам млекопитающих в пищевой и фармацевтической промышленности.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными коммерческими источниками желатинов выступают органы и ткани КРС и свиней, хотя в последнее время начинают применять желатины из птиц, рыб и даже насекомых. Во многих пищевых продуктах желатин используется в качестве источника текстуры и связующего агента, стабилизатора и наполнителя. Показано оптимальное содержание аминокислот и их соотношений в желатинах из кожи КРС и свиней для их дальнейшего использования. Конечно, данные по содержанию АК в желатинах из кожи свиней и КРС, полученные в различных технологических условиях, могут существенно отличаться, однако в целом эти отличия носят не критический характер. Именно поэтому в промышленности желатины иногда получают из смеси отходов животноводства. Недавно в России была предложена композиция белковых ингредиентов из гидролизатов кожи свиньи и КРС с добавками высушенной плазмы крови, которая имела более “ценный” АК-состав, чем в традиционных желатинах, что позволило авторам сделать предположение о повышенной биологической и пищевой ценности разработанного продукта [61]. Кроме того, ряд авторов обнаружил улучшение отдельных показателей и биологических свойств желатинов из смеси отходов животноводства при образовании некоторых специфических пептидов.

Таким образом, в настоящее время активно разрабатываются новые композиции на основе известных желатинов с оптимальным АК-составом, способствующим улучшению питательных и функциональных свойств продуктов.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает благодарность к.х.н. И.С. Зайцеву за помощь в технической подготовке текста.

ФОНДОВАЯ ПОДДЕРЖКА

Исследования по подразделам “Аминокислотный состав желатинов из кожи и костей крупного рогатого скота” и “Аминокислотный состав желатинов из субпродуктов и отходов промышленного птицеводства” выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания 124020200032-4 на 2024 г. (регистрационный номер ЕГИСУ темы НИР FGGN-2024-0016).

Исследования по разделу “Введение” и подразделу “Аминокислотный состав желатинов свиней” выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 20-16-00032-П).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит описания исследований, выполненных автором данной работы с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Об авторах

С. Ю. Зайцев

Автор, ответственный за переписку.
Email: s.y.zaitsev@mail.ru
Россия, 142132 Подольск, Дубровицы, 60

Список литературы

Дополнительные файлы